CC BY
37
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №84(2)
серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 620.193.013
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ РАЗВИТИЯ КОРРОЗИИ СИЛОВОГО НАБОРА ВС ИЗ В95 ОТ ВЕЛИЧИНЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
И ЛАБОРАТОРНОЙ НАРАБОТКИ
В.М. БАЙКОВ, С.В. БУТУШИН, В.Ю. ВАСИЛЬЕВ, В.С. ШАПКИН По заказу редакционной коллегии
В статье представлены результаты исследования связи между напряжениями в несущих элементах из алюминиевого сплава В95 и его способностью противостоять коррозии
В проводимых ранее работах [1] было показано, что токи поляризации при различных потенциалах могут быть функцией отклика действия лабораторных нагрузок и эксплуатационных наработок. На рис.1 по результатам исследований, проведенных на алюминиевом сплаве типа Д16, показано, что после действия нагрузок функционирования заметно изменяется вид анодных поляризационных кривых, на которых появляются пики анодного активирования, соответствующие реакциям с участием меди, железа и их соединений.
Рис.1. Анодные поляризационные кривые сплава Д16АТ после различных сроков эксплуатации
После воздействия лабораторных наработок анодные поляризационные кривые также содержат пики анодного растворения (рис.2).
При этом величина токов поляризации после лабораторных наработок больше. Зависимость тока поляризации от количества циклов нагружения носит обратимый характер.
Однако при испытаниях в камере солевого тумана скорость коррозии образцов с лабораторными наработками увеличивается намного больше, чем у образцов после длительной эксплуатации в течение 11, 15, 20 лет. Для выяснения причин этого явления на образцах после лабораторных наработок и нагрузок функционирования были проведены исследования методом электронной Оже-спектроскопии
(ЭОС).
ЭОС является одним из современных спектроскопических методов анализа поверхности твердого тела. Метод ЭОС позволяет проводить анализ элементного состава приповерхностных слоев, изучать состав материала по глубине образца. В ЭОС возможно проведение полуколичественного анализа с высокой точностью непосредственно по амплитуде пиков, при использовании программы вычисления поправок или градуировочных кривых возможно проведение количественного анализа.
При бомбардировке материала электронами достаточных энергий внутренние оболочки некоторых его атомов могут быть ионизированы - образуется вакансия. Вакансия может запол-
няться за счет перехода электронов из внешних оболочек атомов. При этом выделяется избыточная энергия. Энергии оже-электронов характеризуют свойства атомов, которые испустили эти электроны. Пикам Оже могут быть приписаны определенные энергии, а по ним определена соответствующая химическая природа атомов. Глубина выходов оже-электронов определяет толщину исследуемой приповерхностной области.
Установка для ЭОС состоит из вакуумной системы, электронной пушки для возбуждения мишени и электронного спектрометра для анализа эмитированных оже-электронов. Поскольку метод очень чувствителен к присутствию на поверхности адсорбированных газов, необходима вакуумная система, позволяющая получать сверхвысокий вакуум порядка 10 Па.
Проведенные исследования показали, что лабораторные наработки не вызывают столь заметных сегрегационных эффектов, обнаруженных после воздействия нагрузок функционирования в течение 11, 15, 20 лет. Как уже отмечалось, после 15 лет эксплуатации, где было выявлено ухудшение пластических характеристик сплава Д16Т, обнаружены сегрегации меди размером до 5 мкм (рис.3). Толщина подобных слоев составляла 2-3 атома. Наличие сегрегаций могло заметно изменять характеристики пластичности сплавов, что согласуется с данными ОНИЛ-15 МГТУ ГА по исследованию механических характеристик материала типа Д16 с эксплуатационными и лабораторными наработками при статическом нагружении.
Рис.2. Анодные поляризационные кривые сплава Д16АТ после проведения лабораторных наработок
2 мкм
Рис. 3. Сегрегации меди в сплаве Д-16 после 15 лет эксплуатации
После лабораторных наработок в поле микроскопа видны мелкие вкрапления сегрегаций, возможно, меди. Окончательный ответ неинтуитивного характера может быть дан после математической обработки результатов. Мелкие очаги сегрегаций при определенных условиях могут коагулировать в крупные.
Большая скорость коррозии после лабораторных наработок обусловлена удлинением зерен в приповерхностных слоях, изменением формы границ зерен и их площади, увеличением количества фаз Гинье-Престона и наличием отдельных выделений меди, которые обеспечивают высокую электрохимическую гетерогенность поверхности, тем самым обеспечивая высокую скорость коррозии. После коагуляции включений меди после 15 лет эксплуатации электрохимическая гетерогенность уменьшается, уменьшается и скорость коррозии. Изменение коррозионной стойкости после воздействия нагрузок может быть обусловлено стехиометрией и полупроводниковыми свойствами оксидов на поверхности сплава.
В качестве неразрушающего метода контроля для выявления дефектов и предкризисного состояния могут применяться электрохимический и фотоэлектрический физико-химический методы исследования. Можно выявить причины коррозионного разрушения на алюминиевом сплаве в процессе его эксплуатации, что позволяет установить корреляцию между электрохимическими характеристиками, дефектной структурой поверхностных оксидных пленок и процессами деградации сплава.
В методе фото-ЭДС импульсы УФ - света с частотой 5-20 Гц падают на образец, находящийся в электрохимической ячейке, наполненной электролитом (раствор 30 г/л КаК03). Эта ячейка представляет собой сэндвич типа металл - окисел - раствор - вспомогательный электрод.
Фотоэлектрические сигналы, полученные от образца, усиливаются и попадают на регистрирующий прибор (осциллограф). Чувствительность метода - 10"4 В.
График зависимости фото-ЭДС на сплаве Д16АТ от количества циклов и времени эксплуатации представлен на рис.4.
количество циклов
а)
Ер еш эксплуатации, годы
Рис. 4. Зависимость фото-э.д.с. для сплава Д16АТ в 30 г/л МаМ03 от количества циклов (а) и времени эксплуатации (б)
Полученные данные свидетельствуют о том, что в том и другом случаях оксиды на поверхности имеют р-тип проводимости. Они являются оксидами с избытком по кислороду. Различия проявляются в величине сигнала и характера изменения его от количества циклов и времени эксплуатации. Максимум после лабораторных наработок соответствует 60000 циклов. После таких наработок максимальна и скорость коррозии. Следует отметить, что максимум после эксплуатационной наработки проявляется после 15 лет эксплуатации. Большая величина фото-ЭДС (0,8 • 104 В) свидетельствует о большом разупорядочении структуры при лабораторных испытаниях с амплитудой отнулевого циклического нагружения 10 кг/см2.
Выводы
1. Для выявления причин изменения коррозионной стойкости сплавов Д16 после лабораторных наработок был использован оже-метод и метод фотоэлектрической поляризации.
2. Показано, что после лабораторных наработок при напряжении 12 кг/см2 сегрегации меди имеют слабовыраженный точечный характер. Это позволяет считать, что причиной изменения коррозионной стойкости является различная электрохимическая гетерогенность сплавов после эксплуатации и воздействия лабораторных наработок. При менее выраженных сегрегациях меди электрохимическая гетерогенность больше, что, очевидно, является основной причиной коррозии после наработок.
ЛИТЕРАТУРА
Антонова Е.Н., Васильев В.Ю., Шапкин В.С. Электрохимическая диагностика панелей самолёта Ту-154 после различных сроков эксплуатации. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС, № 53, 2002. С. 110-117.
USE OF ELECTROCHEMICAL DIAGNOSTICS FOR AN ESTIMATION OF RELATION OF SPEED OF A DEVELOPMENT OF STAINING OF A PRIMARY STRUCTURE OF AIRCRAFTS FROM ALLOY В95 FROM VALUE OF OPERATION AND LABORATORY RUNNING TIME
Bajkov V.M., Butushin S.V., Vasiljev V.Y., Shapkin V.S.
In the article is shown the findings of investigation of relation between stresses in supporting members from an aluminum alloy В95 and its capacity to counter corrosion
Сведения об авторах
Байков Вячеслав Михайлович, 1946 г.р., окончил МГИ (1976), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОНИЛ-15 МГТУГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Бутушин Сергей Викторович, 1948 г.р., окончил МАТИ (1971), кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научного центра по поддержанию летной годности воздушных судов ГосНИИ ГА, автор 87 научных работ, область научных интересов - механика и работоспособность технических устройств и машин.
Васильев Владимир Юрьевич, 1941 г.р., окончил МИСиС (1966), доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой коррозии и защиты металлов МИСиС, автор более 140 научных работ, область научных интересов - электрохимическая диагностика разрушений.
Шапкин Василий Сергеевич 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, заместитель директора Научного центра по поддержанию летной годности воздушных судов ГосНИИ ГА, эксперт Федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России, Межгосударственного авиационного комитета, автор более 140 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
